CN111457463A - 一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法 - Google Patents

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张嘉睿
贾宏杰
余晓丹
霍现旭
李树鹏
戚艳
王旭东
于建成
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Abstract

本发明公开了一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法，所述方法包括：将蓄热水箱中部分热量用于满足停电时段热负荷需求而不参与日常供热，获取停电时段最小供暖负荷计算模型；基于最小供暖负荷计算模型构建蓄热式电采暖优化调度模型，包括：目标函数和约束条件；当出现故障停电时，由计算得出的停电时段最小供暖负荷继续满足房屋热负荷需求；从停电故障发生时刻起，维持用户设定时长的房屋热负荷需求，保持室内舒适度。

Description

一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法
技术领域
本发明涉及蓄热式电采暖领域，尤其涉及一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法，在保障电网故障下的持续供暖的同时，降低供暖费用。
背景技术
蓄热式电采暖因其特有的蓄热能力，可打破传统电采暖“以热定电”的运行方式[1]。一方面，用户可通过在谷电时段蓄热以降低用能成本；同时也可通过蓄热量的优化以保障停电时段的可靠持续用暖。在该领域，国内外学者已开展了大量的研究：文献[2]利用房屋热平衡的RC(Resistor-Capacitance)型测算供热负荷需求，进而对蓄热水箱的容量进行优化配置；文献[3]构建了蓄热式电采暖的经济优化调度模型，对蓄热和放热时段进行了优化分配，用户用能成本显著降低；文献[4]提出了一种考虑热舒适度的蓄热式电采暖电热联合调度模型，可在用户可接受温度范围内优化电热功率，用能经济性进一步提升。
然而，上述研究均建立在电网安全运行前提下，对故障停电导致的供暖中断问题考虑较少。当前国内外针对停电期间的供暖保障问题已提出了一些具体措施：如利用热能传输过程中的蓄热能力保持一定热功率供应[5][6]，通过蓄热设备改造，挖掘水温余热中的蓄热余量维持一定供暖水平[7]，或依靠房屋自身蓄热特性来保障用户的基本供暖需求[8][9]等。目前工程上常用的是提升供电抢修效率，配置应急供电车等手段，然而，以上方法均为被动应对停电停暖问题，具体表现为系统蓄/放热行为仅考虑电网正常运行情况下，利用低谷电价降低用能成本，限制了蓄热式电采暖在电网故障时段维持持续供暖的能力。考虑到蓄热式电采暖在电网故障时，可基于低成本小容量的备用电源，利用所蓄热量维持一定的供暖水平，在如何调整单一追求经济性的做法，通过蓄热式电采暖系统蓄/放热行为的优化来提升供暖可靠性的方面，有待深入研究。
参考文献
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发明内容
本发明提供了一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法，本发明在保障电网故障下的持续供暖的同时，降低供暖费用，配合蓄热水箱容量提升或房屋围护结构改造，提升用户供暖可靠性，详见下文描述：
一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法，所述方法包括：
将蓄热水箱中部分热量用于满足停电时段热负荷需求而不参与日常供热，获取停电时段最小供暖负荷计算模型；
基于最小供暖负荷计算模型构建蓄热式电采暖优化调度模型，包括：目标函数和约束条件；
当出现故障停电时，由停电时段最小供暖负荷继续满足房屋热负荷需求；从停电故障发生时刻起，维持用户设定时长的房屋热负荷需求，保持室内舒适度。
其中，所述停电时段最小供暖负荷计算模型具体为：
Figure BDA0002398940120000021
其中，Qheat(t)为t时段停电时段最小供暖负荷，tcut为停电状态下可维持供暖时长，Cair为空气比热容，ρair为空气密度，N为换气次数，S为房屋面积，H为房屋室内高度，α为围护结构温差修正系数，K为围护结构传热系数，A为围护结构面积，
Figure BDA0002398940120000031
为室内设定温度，Tout(i)为室外温度，QIH为室内热源发热量，i为时段。
所述约束条件包括：热功率平衡约束、热泵出力及爬坡约束、以及蓄热水箱蓄热量约束。
所述蓄热水箱蓄热量约束具体为：
Figure BDA0002398940120000032
式中：上标min和max分别表示蓄热水箱蓄热量的上、下限；
调度周期结束时蓄热水箱蓄热量Qtank(T)等于其初始时蓄热量Qtank(1)，保障
Figure BDA0002398940120000033
等于停电时段最小供暖负荷Qheat(t)；t时段蓄热水箱中的灵活可调容量Quse(t)＝Qtank(t)-Qheat(t)。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1)本文提出的综合考虑停电故障下可持续供暖时长及采暖舒适度的用热量计算方法，可维持用户停电时段的基本供暖需求；
2)考虑“停电不停暖”可保障停电时段用户在一定舒适度水平下的持续供暖，兼顾用户舒适度和经济性；
3)通过蓄热水箱容量提升和房屋围护结构改造可在提高采暖舒适度的同时，一定程度上避免供暖费用的增加，在蓄热式电采暖的推广过程中应加以协同考虑。
附图说明
图1为蓄热式空气源热泵供暖系统结构示意图。
图2为蓄热水箱蓄热量变化图；
图3为室内温度变化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明以目前“煤改电”工程中广受关注的空气源热泵为热源，增加蓄热环节，构建蓄热式空气源热泵供暖系统，提出了考虑“停电不停暖”的蓄热式电采暖优化控制方法。该方法面向“停电不停暖”的民生需求，综合考虑房屋热耗散特性、人体热舒适度等因素，建立电网故障场景下最小用热量的精确计算模型，以量化故障发生时保障用户持续供暖所需蓄热量，进而将其融合至蓄热式电采暖优化调度中，为蓄热式电采暖应用大环境下用户供能的可靠性保障提供了新的解决思路。
一、蓄热式电采暖及热负荷建模
在蓄热式电采暖系统中，用户可对制热设备出力，蓄热设备蓄热量及室内温度进行优化调节，以保障自身热负荷需求。图1给出含蓄热水箱的空气源热泵供暖系统结构示意图，系统由空气源热泵、蓄热水箱、散热器、热泵循环水泵、热网循环水泵、动力用蓄电池和暖气管道组成，其中空气源热泵作为制热设备，蓄热水箱为蓄热设备。该系统在正常供电和故障停电下的运行模式分别为：
正常供电：电网正常供电时，空气源热泵制取热量通过热泵循环水泵存蓄在蓄热水箱中，蓄热水箱根据房屋热负荷需求，在热网循环水泵驱动下，为房屋散热器提供热水；
故障停电：当电网发生故障导致配电网供电中断时，蓄电池驱动热网循环水泵，用蓄热水箱中的蓄热量，结合建筑热耗散特性维持电力中断时段的供暖需求。
1.1蓄热式空气源热泵供暖系统建模
1)空气源热泵
空气源热泵以空气作为热源，利用室外空气中的低品位热能，在电能驱动下可转化为高品位热能，其制热功率如式(1)所示：
PHP(t)＝PCOP(t)/COP (1)
式中：PCOP(t)为t时段空气源热泵制热功率，kW；COP为热泵效能比；PHP(t)为t时段热泵电功率，kW。
2)蓄热水箱
蓄热水箱用于在电价较低时段蓄热，电价较高时段及供电中断时放热，并保留原有缓冲作用。为体现本文所提方法适用性，本文将蓄热水箱水温变化换算为热量变化，对应具体室内温度调节方式为质调节。蓄热水箱特性可表示为蓄热量、蓄/放热功率及热损耗之间的关系：
Figure BDA0002398940120000041
Figure BDA0002398940120000042
式中：Qtank(t)为蓄热水箱在t时段的蓄热量，kWh；
Figure BDA0002398940120000043
为t时段蓄热水箱蓄热功率，kW；
Figure BDA0002398940120000051
为t时段蓄热水箱放热功率，kW；ηtank为蓄热水箱热损失率；
Figure BDA0002398940120000052
为管道热损失率。
1.2房屋热负荷模型
由于房屋围护结构具有蓄热作用，室内温度变化是一个缓慢过程，在停电时可起到一定“缓冲”作用，争取一定的抢修时间。这里对微分方程描述的房屋热平衡方程进行离散化处理，如式(4)所示：
ΔQ＝ρair·Cair·V·[Tin(t+1)-Tin(t)] (4)
式中：ΔQ为室内热量变化量，kW；ρair为空气密度，kg/m3；Cair为空气比热容，kJ/(kg·℃)；V为室内空气容积，m3；Tin(t)为t时段室内温度，℃。
考虑到冬季影响室内热量的主要因素有室内外温差导致的热耗散、建筑内部设备及人体发热量、空气渗透导致的热耗散及散热器散热功率，式(4)可改写为：
Phouse(t)-Qcl(t)＝ρairCairV[Tin(t+1)-Tin(t)] (5)
Figure BDA0002398940120000053
Qcl(t)＝QHT(t)+QINF(t)-QIH (7)
式中：Phouse(t)为散热器散热功率，kW；Qcl(t)为t时段房屋热负荷需求，kW；ηhouse为散热器散热效率；QHT(t)为t时段围护结构传热量，kW；QINF(t)为t时段空气渗透耗热量，kW；QIH为室内热源发热量，kW。
Figure BDA0002398940120000054
式中：α为围护结构温差修正系数；A为围护结构面积，m2；
Figure BDA0002398940120000055
为室内设定温度，℃，计算方式在停电时段最小供暖负荷计算模型中给出；Tout(t)为室外温度，℃；K为围护结构传热系数，W/(m2·K)；传热系数计算公式如式(9)所示：
Figure BDA0002398940120000056
式中：αn为围护结构内表面换热系数，W/(m2·K)；αw为围护结构外表面换热系数，W/(m2·K)；δ为围护结构各层材料厚度，m；λ为围护结构各层材料导热系数，W/(m·K)；αλ为材料导热系数修正系数；Rk为封闭空间层热阻，(m2·K)/W。
空气渗透耗热量QINF(t)，包括人为开窗通风，人体活动进出室内以及建筑漏气导致的热量耗散。
Figure BDA0002398940120000057
式中：N为换气次数，次/h；S为房屋面积，m2；H为房屋室内高度，m。
室内热源发热量QIH(下标IH为室内热源的首字母)，包括人体及电气设备等发热量，表达式如式(11)所示：
QIH＝Qine+Qinh (11)
式中：Qine为电气设备发热量，kW；Qinh为人体发热量，kW。
结合式(8)-(11)，式(7)可改写为：
Figure BDA0002398940120000061
二、停电时段最小供暖负荷计算模型
目前我国北方寒冷地区农村住宅建造时节能意识较弱，对于围护结构未采取保温隔热设计，门窗密闭性较差，在供暖中断后室内热量流失严重，往往在等待供电恢复期间室内温度已与室外温度相差无几。
为此，本发明提出了停电时段最小供暖负荷计算模型，用于计算居民在停电期间的热负荷需求。本文中采取将蓄热水箱中部分热量用于满足停电时段热负荷需求而不参与日常供热。当停电发生时，蓄热水箱利用水箱中全部热量，由蓄电池驱动的热网循环水泵循环热水为房屋供热，维持一定的室内热舒适度。
1)考虑人体舒适度时室内设定温度
人体热舒适度作为评价供热可靠程度的一个重要指标，本文引入热感觉平均标度预测(predicted mean vote,PMV)确定室内温度。
由于PMV指标与多种因素有关，计算较为复杂，工程上常采用的简化公式如下：
Figure BDA0002398940120000062
式中：λPMV为PMV指标；Ts为舒适状态人体皮肤温度，℃；M为人体能量代谢率，W/m2；Icl为服装热阻，(m2·℃)/W。通过数学变换可得室内设定温度
Figure BDA0002398940120000063
表达式如式(14)所示：
Figure BDA0002398940120000064
其中，PMV指标分为7级，λPMV为0时为人体最佳舒适状态，λPMV为+1、+2、+3分别对应稍暖、暖、热，λPMV为-1、-2、-3分别对应稍凉、凉、冷。根据ISO-7730规定PMV在-0.5～0.5之间为人体适宜状态。本文中正常供电时取λPMV＝0；停电时段
Figure BDA0002398940120000065
考虑最小供暖负荷量同时保障供暖舒适度，取λPMV＝-0.5。
2)停电时段维持供暖时长
根据国网要求用户停电时长不超过5小时，可得停电状态下可维持供暖时长tcut：
tcut∈[0,5]且tcut∈N (15)
3)停电时段最小供暖负荷
综合上述因素，t时段停电时段最小供暖负荷Qheat(t)需保障在t时段停电时至少维持tcut时长室内设定温度为
Figure BDA0002398940120000071
的房屋热负荷需求。同时Qheat(t)根据不同时段热负荷需求进行分时优化，一定程度减少由于过多蓄热增加热量损耗，表达式为：
Figure BDA0002398940120000072
三、考虑“停电不停暖”的蓄热式电采暖优化调度模型
3.1目标函数
考虑“停电不停暖”的蓄热式电采暖优化调度的主要目标是在满足用户热负荷要求下兼顾经济性，目标函数如式(17)所示：
Figure BDA0002398940120000073
式中：C为用户运行费用，元；c为t时段实时电价，元/kWh；T为调度周期，h；Δt为单位调度时间，h。本文中T取24h，Δt取1h。
3.2约束条件
考虑“停电不停暖”的蓄热式电采暖优化调度模型约束条件如下：
1)热功率平衡约束：
在一个调度周期内，热泵制热量与蓄热水箱损耗之差和房屋热负荷值相等。
Figure BDA0002398940120000074
2)热泵出力及爬坡约束：
Figure BDA0002398940120000075
Figure BDA0002398940120000076
式中：
Figure BDA0002398940120000077
为热泵电功率上限，kW；
Figure BDA0002398940120000078
和
Figure BDA0002398940120000079
分别表示热泵压缩机出力向上、向下爬坡速率极限。
3)蓄热水箱蓄热量约束：
Figure BDA00023989401200000710
式中：上标min和max分别表示蓄热水箱蓄热量的上、下限。
为使下一调度周期蓄热水箱能正常参与调度，模型中假设调度周期结束时蓄热水箱蓄热量Qtank(T)等于其初始时蓄热量Qtank(1)，即：
Qtank(1)＝Qtank(T) (22)
为实现“停电不停暖”，基本条件是要保障
Figure BDA00023989401200000711
等于停电时段最小供暖负荷：
Figure BDA00023989401200000712
此时，定义Quse(t)为t时段蓄热水箱中的灵活可调容量。
Quse(t)＝Qtank(t)-Qheat(t) (24)
上述约束均为线性约束，目前已有不少成熟的求解算法，本发明在MATLAB中使用CVX工具箱进行求解。
四、基于蓄热式电采暖优化调度模型对室内热舒适度进行调整。
技术效果
算例构建以下两种场景说明本发明有效性：
场景一：未考虑“停电不停暖”；
场景二：应用本发明所提方法，考虑“停电不停暖”。
蓄热水箱蓄热量变化如图2所示。在高电价与低电价的交界时刻时，若此时热泵未开启，则灵活可调容量Quse达到最小值。在该时刻(21:00)，场景I中Quse已达下限，无法满足房屋热负荷需求；由于场景II应用本发明，考虑了“停电不停暖”，可在停电状态下维持供暖。在出现故障停电时，在Quse不能继续满足房屋热负荷需求时，由停电时段最小供暖负荷Qheat继续满足房屋热负荷需求。
室内温度变化如图3所示。随着停电时长增加，场景I由于室内供热中断，无法持续维持供暖，室内温度由停电初始时刻(21:00)的λPMV＝0的舒适状态逐渐下降至4小时后(次日01:00)的λPMV＝-2体感凉；场景II应用本发明所提方法后，由于预留了Qheat，可满足可维持供暖时长tcut时段房屋持续供暖需求，在发生停电故障时，室内温度舒适度始终保持在λPMV＝-0.5以上，在一定程度上保障了“停电不停暖”目标的实现。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法，其特征在于，所述方法包括：
将蓄热水箱中部分热量用于满足停电时段热负荷需求而不参与日常供热，获取停电时段最小供暖负荷计算模型；
基于最小供暖负荷计算模型构建蓄热式电采暖优化调度模型，包括：目标函数和约束条件；
当出现故障停电时，由计算得出的停电时段最小供暖负荷继续满足房屋热负荷需求；从停电故障发生时刻起，维持用户设定时长的房屋热负荷需求，保持室内舒适度。
2.根据权利要求1所述的一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法，其特征在于，所述停电时段最小供暖负荷计算模型具体为：
Figure FDA0002398940110000011
其中，Qheat(t)为t时段停电时段最小供暖负荷，tcut为停电状态下可维持供暖时长，Cair为空气比热容，ρair为空气密度，N为换气次数，S为房屋面积，H为房屋室内高度，α为围护结构温差修正系数，K为围护结构传热系数，A为围护结构面积，
Figure FDA0002398940110000012
为室内设定温度，Tout(i)为室外温度，QIH为室内热源发热量，i为时段。
3.根据权利要求1所述的一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法，其特征在于，所述约束条件包括：热功率平衡约束、热泵出力及爬坡约束、以及蓄热水箱蓄热量约束。
4.根据权利要求3所述的一种停电不停暖的蓄热式电采暖优化控制方法，其特征在于，所述蓄热水箱蓄热量约束具体为：
Figure FDA0002398940110000013
式中：上标min和max分别表示蓄热水箱蓄热量的上、下限；
调度周期结束时蓄热水箱蓄热量Qtank(T)等于其初始时蓄热量Qtank(1)，保障
Figure FDA0002398940110000014
等于停电时段最小供暖负荷Qheat(t)；t时段蓄热水箱中的灵活可调容量Quse(t)＝Qtank(t)-Qheat(t)。
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